A study of the late stege planetary formation by high-resolution numerical simulation of the giant impact

• Project/Area Number: 20J01258
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 17010:Space and planetary sciences-related
• Research Institution: Kobe University (2021-2022); Nagoya University (2020)
• Principal Investigator: 黒崎 健二 神戸大学, 理学研究科, 特命助教
• Project Period (FY): 2020-04-24 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2022: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2021: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2020: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
• Keywords: 天体衝突 / 惑星大気 / 惑星形成

Outline of Research at the Start

星形成に伴って作られる原始惑星系円盤では，固体成分や氷成分が合体成長を繰り返して微惑星を作る．そして，その微惑星同士がさらに合体成長を繰り返して原始惑星を作り，原始惑星系円盤が消失して現在の惑星系が作られると考えられている．惑星形成の後期段階では天体同士の大規模な衝突現象が発生しており，それによって惑星の内部・大気構造や惑星の衛星系を変化させる．すなわち，衝突現象の規模や頻度が現在の惑星系の観測量を決定づけることになる．観測における惑星の特徴付けでは，惑星大気がまず初めに観測されるため，惑星大気と天体衝突の関係は岩石惑星の形成起源とそれらが持つ大気の多様性を探る上で重要である．

Outline of Annual Research Achievements

惑星形成の後期段階における大規模な衝突現象は，惑星が初期に獲得していた大気の大部分を消失させるだけでなく，その惑星の内部・大気構造も変化させる．このような巨大衝突を経てどのように大気組成や惑星構造が変化を理論的に解明することにより，惑星大気組成を通じて岩石惑星の形成起源を制約することが期待される．本計画では水素大気を持つ岩石惑星に対する衝突現象の計算を行い水素大気の流出量を求めるため粒子法を用いた数値流体シミュレーションを実施した．前年度までの数値シミュレーション結果を用いて，惑星内部構造および大気構造の組成の解析を行い，衝突直後の惑星の状態を決定して長期進化における大気の安定性を調べた．また，衝突直後の大気組成について化学平衡計算も実施し，衝突後の大気組成の変化についても調べた．その結果，衝突後に大気を多く失った場合に，原始惑星系円盤由来の大気と岩石コアの蒸発大気が混合する可能性を示唆した．さらに，円盤由来の大気と岩石蒸気が反応することにより，大気中に水成分が生成することも示唆された．主星からのXUV照射による光蒸発を考慮した大気進化モデルを構築し，大気の長期安定性を調べた結果，衝突による大気組成の変化が残る場合には水成分に富む大気が形成する可能性を示唆し，系外惑星大気組成と惑星形成過程を繋げうる成果を得ることができた．本研究の成果は衝突研究会などの国内会議や国際会議(The 9th East Asian Numerical Astrophysics Meeting)にて発表を行った．

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] 中央研究院天文及天文物理研究所(中国)
• [Journal Article] Formation of giant planets with large metal masses and metal fractions via giant impacts in a rapidly dissipating disk (2021)
  • Author(s): Ogihara Masahiro、Hori Yasunori、Kunitomo Masanobu、Kurosaki Kenji
  • Journal Title: Astronomy & Astrophysics Volume: 648 Pages: L1-L1
  • DOI: 10.1051/0004-6361/202140464
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Size Evolution of Close-in Super-Earths through Giant Impacts and Photoevaporation (2021)
  • Author(s): Matsumoto Yuji、Kokubo Eiichiro、Gu Pin-Gao、Kurosaki Kenji
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 923 Issue: 1 Pages: 81-81
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac2b2d
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Catastrophic atmospheric loss event induced by the giant impact (2021)
  • Author(s): Kurosaki, Kenji; Inutsuka, Shu-ichiro
  • Journal Title: AAS Division of Planetary Science meeting #53, id. 305.02. Bulletin of the American Astronomical Society, Vol. 53, No. 7 Volume: 53 Pages: 305-305
  • Open Access
• [Journal Article] Giant planets with large metal masses and metal fractions such as HD 149026b and TOI-849b form via giant impacts in a rapidly dissipating disk by photoevaporation (2021)
  • Author(s): Ogihara, Masahiro ; Hori, Yasunori ; Kunitomo, Masanobu ; Kurosaki, Kenji
  • Journal Title: AAS Division of Planetary Science meeting #53, id. 406.08. Bulletin of the American Astronomical Society, Vol. 53, No. 7 Volume: 53 Pages: 406-406
  • Open Access
• [Presentation] Collisional stripping of the rock mantle on the differentiated asteroid (2023)
  • Author(s): 黒崎健二
  • Organizer: The 54th Lunar and Planetary Science Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Catastrophic Loss of Primordial Atmosphere by the Giant Impact: Collision of Rocky Planets in their Formation Phase (2022)
  • Author(s): 黒崎健二
  • Organizer: The 9th East Asian Numerical Astrophysics Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Thermal Evolution of Uranus with Condensation of Ice Constituents in the Atmosphere: Implications for the N/O and C/O ratios (2022)
  • Author(s): 黒崎健二
  • Organizer: Workshop on in Situ Exploration of the Giant Planets II
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 巨大衝突に伴う大気流出と角運動量輸送への影響 (2022)
  • Author(s): 黒崎健二
  • Organizer: 第18回衝突研究会
• [Presentation] 巨大衝突直後における大気組成および長期安定性 (2022)
  • Author(s): 黒崎健二
  • Organizer: 第35回理論懇シンポジウム
• [Presentation] 大気を持つ天体の衝突現象に伴う角運動量およびエネルギー輸送の数値シミュレーション (2022)
  • Author(s): 黒崎健二
  • Organizer: CfCAユーザーズミーティング2022
• [Presentation] 巨大衝突現象に伴う大気流出現象とその後の惑星大気進化への影響 (2022)
  • Author(s): 黒崎健二
  • Organizer: 新学術領域研究「星・惑星形成」2021年度大研究会
• [Presentation] 自転天体に対する天体衝突における角運動量輸送 (2021)
  • Author(s): 黒崎健二
  • Organizer: 日本惑星科学会2021年秋季年会
• [Presentation] 自転する天体への巨大衝突に伴う角運動量輸送と自転軸傾斜角の変動 (2021)
  • Author(s): 黒崎健二
  • Organizer: 日本天文学会2022年度秋季講演会
• [Presentation] 自転する天体への巨大衝突に伴う角運動量輸送と自転軸傾斜角の変動 (2021)
  • Author(s): 黒崎健二
  • Organizer: 第17回衝突研究会
• [Presentation] 巨大衝突現象に伴う大気流出現象がもたらす惑星形成標準シナリオへの制限 (2021)
  • Author(s): 黒崎健二
  • Organizer: 第34回理論懇シンポジウム
• [Presentation] 巨大衝突後における惑星内部構造の推定と残留大気の長期安定性の検討 (2021)
  • Author(s): 黒崎健二
  • Organizer: 天文学会2022年度春季年会
• [Presentation] Catastrophic atmospheric loss event induced by the giant impact (2021)
  • Author(s): 黒崎健二
  • Organizer: 53rd DPS meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] SPH法を用いた巨大衝突における水素大気流出 (2021)
  • Author(s): 黒崎健二，犬塚修一郎
  • Organizer: 令和2年度 国立天文台CfCA ユーザーズミーティング
• [Presentation] 巨大衝突に伴う大気散逸の数値計算と理論的考察 (2021)
  • Author(s): 黒崎健二，犬塚修一郎
  • Organizer: 天体の衝突物理の解明（XVI）
• [Presentation] スーパーアースの巨大衝突における水素大気流出過程 (2021)
  • Author(s): 黒崎健二，犬塚修一郎
  • Organizer: 日本天文学会2021年春季年会
• [Presentation] 水素大気ををもつ惑星同士の衝突現象と合体条件への示唆 (2020)
  • Author(s): 黒崎健二，犬塚修一郎
  • Organizer: JpGU-AUG Joint Meeting 2020
• [Presentation] スーパーアース同士の巨大衝突に伴う水素大気散逸効率 (2020)
  • Author(s): 黒崎健二，犬塚修一郎
  • Organizer: 日本天文学会2020秋季年会
• [Presentation] 天体衝突に伴う水素大気散逸率における惑星大気量依存性 (2020)
  • Author(s): 黒崎健二，犬塚修一郎
  • Organizer: 日本惑星科学会2020年秋季講演会
• [Presentation] Giant impacts on planets with hydrogen atmospheres: Implication for the planetary obliquity and the atmospheric loss (2020)
  • Author(s): Kenji Kurosaki, Shu-ichiro Inutsuka
  • Organizer: 52nd annual meeting of the division for planetary sciences
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 巨大衝突に伴うスーパーアースの水素大気損失 (2020)
  • Author(s): 黒崎健二，犬塚修一郎
  • Organizer: 新学術領域「星惑星形成」2020年度大研究会
• [Presentation] 天体衝突による大気散逸のスケール則解明に向けて (2020)
  • Author(s): 黒崎健二，犬塚修一郎
  • Organizer: 第33回理論懇シンポジウム 「理論天文学・宇宙物理学のブレイクスルー」